KR102337212B1 - Smart glass device using hologram optical element - Google Patents
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Abstract
본 발명은 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 관한 것으로, 외부 시야를 확보하면서도 영상을 획득할 수 있는 투과형(See-through type)으로 제작된 것이며, 홀로그램 광학 소자(HOE)에 미리 정의된 파장만을 눈의 중심에 맞추는 비대칭 반사를 하도록 기록하여 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체로 구성된 HOE 영상표시부가 눈과 평행하게 배치된 상태에서 입사 광신호가 나타내는 영상을 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상으로 표시하되, 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드의 출력 광을 집광 점감기(Collimation Taper)로 집광한 후 평판 광유도 혼합기(PLC; Plane Lightguide Combiner) 내부의 광도파로를 따라서 끝부분에서 하나의 점 광원이 되게 합쳐지게 한 다음 집광 렌즈(Collimation Lens)를 통해 합쳐진 하나의 점 광원을 펼쳐지는 각도 없이 어느 거리에서나 크기가 일정한 평행 점 광원으로 출력되게 하는 점광원 방출부를 상기한 입사 광신호를 방출하기 위한 광원으로 사용한다.
본 발명에 따라 HOE 영상표시부를 홀로그램 광학 소자(HOE)를 이용하여 비구면 렌즈 위에 적층하거나 접착하는 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체로 구성하면 상기 HOE 영상표시부를 HMD용 평면 렌즈나 안경형 모니터(GTM)용 곡면 렌즈에 적층 혹은 접착하여 사용하는 경우, 사용자가 HOE 영상표시부를 통하여 밖을 볼 때 주변에서 투입되는 빛은 모두 투과시켜 투명도를 높임으로써 매우 선명하게 밖을 볼 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드의 출력 광이 집광 점감기를 경유한 후 평판 광유도 혼합기 내부의 광도파로를 따라서 통과하는 광 통과 경로가 짧아져서 광 손실을 최소화할 수 있다.The present invention relates to a smart glass device using a holographic optical element, which is manufactured as a see-through type that can acquire an image while securing an external view, and uses only a wavelength predefined in the holographic optical element (HOE). The HOE image display unit composed of a wavelength-selective transparent reflector made in the form of a film by recording asymmetrical reflection to match the center of the eye is placed in parallel with the eye. Displayed as a converged image for viewing, after condensing the output light of three laser diodes arranged to output red light, green light, and blue light, respectively, with a collimation taper, a flat plate optical induction mixer (PLC; Plane Lightguide Combiner) Combined to form a single point light source at the end along the optical waveguide, and then, through a Collimation Lens, a single point light source is combined with a parallel point light source with a constant size at any distance without an angle of expansion. A point light source emitting unit for outputting as a light source for emitting the above-described incident light signal is used.
According to the present invention, if the HOE image display unit is composed of a wavelength selective transparent reflector manufactured in the form of a film laminated or adhered on an aspherical lens using a hologram optical element (HOE), the HOE image display unit is a flat lens for HMD or a spectacle type monitor (GTM). ), when used by laminating or adhering to the curved lens, when the user sees the outside through the HOE image display unit, all the light input from the surroundings is transmitted through it and the transparency is increased so that the user can see the outside very clearly. In particular, according to the present invention, the output light of three laser diodes arranged to output red light, green light, and blue light, respectively, passes through the condensing attenuator and then passes along the optical waveguide inside the flat plate light-guided mixer. can be shortened to minimize light loss.
Description
본 발명은 가상체험기기, 영상게임기, 가상훈련시스템 등에 사용되는 스마트 글라스 기기에 관한 것이며, 더욱 상세히는 홀로그램 광학 소자(HOE; hologram optical element)를 이용한 스마트 글라스 기기에 관한 것이다.The present invention relates to a smart glass device used for a virtual experience device, a video game machine, a virtual training system, and the like, and more particularly, to a smart glass device using a hologram optical element (HOE).
근안 디스플레이는 HMD(Head Mounted Display)나 안경형 모니터(GTM; Glass Type Monitor) 등의 형태로 제작되며, 가상현실(VR; Virtual Reality), 증강현실(AR; Augmented Reality), 혼합현실(MR; Mixed Reality) 등의 스마트 환경을 제공하는 가상체험기기, 영상게임기, 가상훈련시스템 등에 주로 사용된다.Near-eye displays are manufactured in the form of a Head Mounted Display (HMD) or Glass Type Monitor (GTM), and include Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR), and Mixed Reality (MR). It is mainly used for virtual experience devices, video game machines, and virtual training systems that provide smart environments such as reality).
상기한 바와 같은 근안 디스플레이에 적용되는 광학 시스템의 일종으로서, 특허문헌1에 인체공학적 헤드 마운티드 디스플레이 디바이스 및 광학 시스템이 게시되어 있고, 특허문헌2에 광학 시스템 및 헤드-마운트형 디스플레이 장치가 게시되어 있고, 특허문헌3에 광 도파로를 이용한 헤드마운트 디스플레이용 광학계가 게시되어 있다.As a kind of optical system applied to the near-eye display as described above, Patent Document 1 discloses an ergonomic head mounted display device and an optical system, and Patent Document 2 discloses an optical system and a head-mounted display device. , Patent Document 3 discloses an optical system for a head-mounted display using an optical waveguide.
상기한 특허문헌1 내지 특허문헌3에 게시된 바와 같이, 종래의 근안 디스플레이에 적용되는 광학 시스템은 주로 정해진 두께와 입체 구조를 가지는 프리즘 형태로 제작된 광 도파관(waveguide)을 사용하여 영상을 표시하기 때문에 광학 시스템의 부피가 크고 구조가 복잡하다.As disclosed in Patent Documents 1 to 3, an optical system applied to a conventional near-eye display mainly displays an image using an optical waveguide manufactured in the form of a prism having a predetermined thickness and a three-dimensional structure. Therefore, the optical system is bulky and has a complex structure.
특히, 프리즘 형태로 제작된 광 도파관은 영상을 표시하기 위한 광신호와 무관하게 주변에서 투입되는 원치 않는 빛을 반사할 수 있기 때문에, 이러한 프리즘 형태로 제작된 광 도파관을 사용하는 종래의 근안 디스플레이의 사용자가 선명하게 밖을 볼 수 없게 하거나, 상기의 원치 않는 빛의 반사에 기인하는 고스트 이미지가 보이는 단점이 있고, 광 도파관의 투명도가 낮은 경우 주변 조명 환경과 대비하여 상대적으로 어둡고 흐릿한 영상을 볼 수 있다.In particular, since an optical waveguide manufactured in the form of a prism can reflect unwanted light input from the surroundings regardless of an optical signal for displaying an image, the conventional near-eye display using the optical waveguide manufactured in the form of a prism There is a disadvantage that the user cannot see the outside clearly or a ghost image due to the above unwanted light reflection is visible. have.
또한, 프리즘 형태로 제작된 광 도파관을 사용하는 종래의 근안 디스플레이(Near Eye Display)를 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR) 등의 스마트 환경을 제공하는 가상체험기기, 영상게임기, 가상훈련시스템 등에 사용하면 근안 디스플레이를 착용한 사용자를 보는 다른 사람의 눈에 상기 광 도파관을 통해 표시되는 영상이 산만하게 겹쳐져 보이는 현상이 나타난다.In addition, a virtual experience device that provides a smart environment such as virtual reality (VR), augmented reality (AR), and mixed reality (MR) with the conventional Near Eye Display using an optical waveguide manufactured in the form of a prism, When used in a video game machine, a virtual training system, etc., a phenomenon in which the image displayed through the optical waveguide is distractedly overlapped appears in the eyes of other people who see the user wearing the near-eye display.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 외부 시야를 확보하면서도 영상을 획득할 수 있는 투과형(See-through type)으로 제작된 것이며, 홀로그램 광학 소자(HOE)에 미리 정의된 파장만을 눈의 중심에 맞추는 비대칭 반사를 하도록 기록하여 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체로 구성된 HOE 영상표시부가 눈과 평행하게 배치된 상태에서 입사 광신호가 나타내는 영상을 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상으로 표시하되, 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드의 출력 광을 집광 점감기(Collimation Taper)로 집광한 후 평판 광유도 혼합기(PLC; Plane Lightguide Combiner) 내부의 광도파로를 따라서 끝부분에서 하나의 점 광원이 되게 합쳐지게 한 다음 집광 렌즈(Collimation Lens)를 통해 합쳐진 하나의 점 광원을 펼쳐지는 각도 없이 어느 거리에서나 크기가 일정한 평행 점 광원으로 출력되게 하는 점광원 방출부를 상기한 입사 광신호를 방출하기 위한 광원으로 사용하는 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to be manufactured as a see-through type that can acquire an image while securing an external field of view, and to be applied to a hologram optical element (HOE) in advance. The HOE image display unit composed of a wavelength-selective transparent reflector made in the form of a film by recording only a defined wavelength for asymmetric reflection to match the center of the eye is placed in parallel with the eye. Display as a converged image so that it can be enlarged and viewed with the eyes, but the output light of three laser diodes arranged to output red light, green light, and blue light, respectively, is condensed with a collimation taper, and then flat panel light induction Combine to become one point light source at the end along the optical waveguide inside the Plane Lightguide Combiner (PLC), and then through the Collimation Lens, the combined point light source is sized at any distance without an angle of expansion. An object of the present invention is to provide a smart glass device using a holographic optical device using a point light source emitting unit for outputting a constant parallel point light source as a light source for emitting the incident light signal.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기는, 사용자가 HOE 영상표시부를 통해 외부 시야를 확보하면서 영상을 볼 수 있는 형태로 제작된 본체 프레임과; 상기 본체 프레임 중 사용자의 눈 부분과 귀 부분을 이어주는 양측에 배되는 광원케이스; 상기 광원케이스에 수용되고, HOE 영상표시부에 영상을 표시하기 위한 점영상 신호가 글라스기기 제어기로부터 입력되면 해당 점영상 신호로 만든 점광원을 방출하는 점광원 방출부; 상기 광원케이스에 수용되고, 상기 점광원 방출부로부터 출력되는 점광원을 반사하여 점광원 스캔부로 전달하는 미러부; 상기 광원케이스에 수용되고, 상기 미러부를 경유하여 전달되는 점광원을 스캔하여 획득한 광신호를 HOE 영상표시부로 방출함으로써 HOE 영상표시부에 면영상이 표시되게 하는 점광원 스캔부; 및 상기 본체 프레임의 테에 고정된 비구면 렌즈 위에 적층하거나 접착하는 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체이며, 눈과 평행하게 배치된 상태에서 홀로그램 광학 소자(HOE; hologram optical element)에 미리 정의된 파장만을 눈의 중심에 맞추는 비대칭 반사를 하도록 기록하여 입사 광신호가 나타내는 영상을 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상으로 표시하는 HOE 영상표시부;로 구성되고, 사용자의 외부 시야를 확보하면서 영상을 표시할 수 있는 투과형(See-through type)으로 제작된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, a smart glass device using a holographic optical device according to the present invention includes a body frame manufactured in a form in which a user can view an image while securing an external view through the HOE image display unit; ; a light source case arranged on both sides connecting the user's eyes and ears of the body frame; a point light source emitting unit accommodated in the light source case and emitting a point light source made of the point image signal when a point image signal for displaying an image on the HOE image display unit is input from the glass device controller; a mirror unit accommodated in the light source case, reflecting the point light source output from the point light source emitting unit and transmitting it to the point light source scanning unit; a point light source scanning unit accommodated in the light source case and emitting an optical signal obtained by scanning a point light source transmitted through the mirror unit to the HOE image display unit to display a plane image on the HOE image display unit; and a wavelength selective transparent reflector manufactured in the form of a film laminated or adhered on an aspherical lens fixed to the frame of the body frame, and has a predetermined wavelength in a hologram optical element (HOE) in a state parallel to the eye. HOE image display unit that records the asymmetrical reflection to fit the center of the eye, enlarges the image indicated by the incident optical signal to a size corresponding to the specified reflection angle, and displays the image as a converged image for viewing with the eyes; Consisting of; It is characterized in that it is manufactured as a see-through type that can display an image while securing it.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 점광원 방출부는 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드를 고정하는 레이저 다이오드 마운트와; 상기 3개의 레이저 다이오드로부터 출력되는 각각의 출력 광을 집광하기 위한 원뿔 형식 구조를 형성하는 집광 점감기(Collimation Taper); 상기 3개의 레이저 다이오드로부터 출력된 후 상기 집광 점감기에 의해 집광되는 상기 3개의 레이저 다이오드로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하는 평판 광유도 혼합기(PLC; Plane Lightguide Combiner); 및 상기 평판 광유도 혼합기에 의해 합쳐진 하나의 점 광원을 펼쳐지는 각도 없이 어느 거리에서나 크기가 일정한 평행 점 광원으로 출력되게 하는 집광 렌즈(Collimation Lens);로 구성되는 것을 특징으로 한다.In a smart glass device using a holographic optical device according to the present invention, the point light source emitting unit comprises: a laser diode mount for fixing three laser diodes arranged to output red light, green light, and blue light, respectively; a collimation taper that forms a conical structure for condensing each output light output from the three laser diodes; a Plane Lightguide Combiner (PLC) for combining the output light from the three laser diodes, which is output from the three laser diodes and then condensed by the condensing attenuator, into one point light source; and a collimation lens for outputting a single point light source combined by the flat light induction mixer as a parallel point light source having a constant size at any distance without an unfolding angle.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 레이저 다이오드 마운트는 상기 3개의 레이저 다이오드의 발광 작동 중에 발생하는 열을 방출하는 방열 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical element according to the present invention, the laser diode mount is characterized in that it has a heat dissipation function for emitting heat generated during the light-emitting operation of the three laser diodes.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 집광 점감기는 상기 3개의 레이저 다이오드로부터 출력되는 각각의 출력 광에 대하여 반사되는 거리를 점진적으로 줄여서 초기 입력된 광의 단면적보다 출력되는 광의 단면적이 작아지도록 하는 원뿔 형식 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical element according to the present invention, the light condensing attenuator gradually reduces the distance reflected with respect to each output light output from the three laser diodes, so that the output light is smaller than the cross-sectional area of the initially input light. It is characterized in that it is formed in a conical structure to make the cross-sectional area small.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 평판 광유도 혼합기는 광통신에 사용되는 스플리터(Splitter)를 역으로 배치한 구조로 되어 상기 3개의 레이저 다이오드로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical element according to the present invention, the flat-panel optical induction mixer has a structure in which a splitter used for optical communication is arranged in reverse, and the output light from the three laser diodes is converted into one point. It is characterized in that it is merged with a light source.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 평판 광유도 혼합기는 3개의 광 입력부 각각이 상기 3개의 레이저 다이오드로부터의 각각의 출력 광이 출력되는 상기 집광 점감기의 3개의 광 출력부 각각과 동일한 크기로 되어 있고 상기 3개의 레이저 다이오드로부터의 출력 광이 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하도록 정해진 패턴의 광도파로를 따라서 끝부분에서 하나의 점 광원이 되게 하는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical element according to the present invention, the flat light induction mixer has three light input units and three light outputs of the condensing attenuator to which each output light from the three laser diodes is output. It is characterized in that it becomes one point light source at the end along an optical waveguide of a predetermined pattern so as to have the same size as each of the parts and to combine the output light from the three laser diodes into one point light source.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 집광 렌즈는 출력되는 평행 점 광원의 직경 크기를 조절 가능하도록 회전나사방식으로 설치되는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical element according to the present invention, the condensing lens is installed in a rotating screw method so that the diameter size of the output parallel point light source can be adjusted.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 미러부는 상기 점광원 방출부로부터 출력되는 점광원을 반사하는 제1미러와 상기 제1미러에 의해 반사되는 점광원을 다시 반사하여 상기 점광원 스캔부로 전달하는 제2미러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical device according to the present invention, the mirror unit reflects a first mirror that reflects the point light source output from the point light source emitter and the point light source that is reflected by the first mirror again, It is characterized in that it is configured to include a second mirror that is transmitted to the point light source scan unit.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 점광원 스캔부는 중심부에 스캔거울이 위치하는 2D MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems; 미세전자기계시스템) 스캐너이며 상기 미러부를 경유하여 전달되는 점광원을 상기 점영상 신호와 동기하는 수평동기신호 혹은 수직동기신호에 의하여 시간에 따라 상기 스캔거울로 단속하여 획득한 광신호를 상기 HOE 영상표시부로 방출함으로써 상기 HOE 영상표시부에 면영상이 표시되게 한다.In the smart glass device using the holographic optical device according to the present invention, the point light source scanning unit is a 2D MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) scanner in which a scanning mirror is located in the center, and is transmitted via the mirror unit A plane image is displayed on the HOE image display unit by emitting an optical signal obtained by intermittently using the scan mirror over time according to a horizontal synchronization signal or vertical synchronization signal that synchronizes a point light source with the point image signal to the HOE image display unit. do.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 점광원 스캔부와 상기 HOE 영상표시부 사이의 광신호 방출 경로 상에 배치되어 상기 점영상 스캔부에서 방출되는 광신호가 상기 HOE 영상표시부에 면영상으로 표시될 때 스페클(speckle)을 제거하고 상기 면영상이 상기 HOE 영상표시부에 입사되는 각도를 조절하는 확대 렌즈(Broad lens)부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical device according to the present invention, the optical signal is disposed on the optical signal emission path between the point light source scanning unit and the HOE image display unit and the optical signal emitted from the point image scanning unit is transmitted to the HOE image display unit. It is characterized in that it further comprises a magnifying lens (Broad lens) for removing the speckle when displayed as a plane image and adjusting the angle at which the plane image is incident on the HOE image display unit.
본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기에 있어서, 상기 HOE 영상표시부에 표시되는 면영상의 중심에 해당하는 뷰 센터(View Center)와 상기 HOE 영상표시부로부터 정해진 간격으로 떨어져 배치되는 눈 박스(Eye Box)의 중심축에 해당하는 눈 축(Eye Axis)이 형성하는 사잇각을 1도(°)로 유지하여 상기 점영상 스캔부에서 방출되는 광신호가 상기 HOE 영상표시부에서 면영상으로 반사되어 눈으로 수렴할 때 상기한 눈 축(Eye Axis)이 눈의 전방 시야축과 일치되게 하는 것을 특징으로 한다.In the smart glass device using the holographic optical element according to the present invention, a view center corresponding to the center of the plane image displayed on the HOE image display unit and an eye box disposed at a predetermined distance from the HOE image display unit ( The angle between the eye axis corresponding to the central axis of the eye box is maintained at 1 degree (°) so that the optical signal emitted from the dot image scan unit is reflected from the HOE image display unit as a plane image to the eye. It is characterized in that the above-mentioned eye axis coincides with the anterior viewing axis of the eye when converging.
본 발명에 따라 HOE 영상표시부를 홀로그램 광학 소자(HOE)를 이용하여 비구면 렌즈 위에 적층하거나 접착하는 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체로 구성하면 상기 HOE 영상표시부를 HMD용 평면 렌즈나 안경형 모니터(GTM)용 곡면 렌즈에 적층 혹은 접착하여 사용하는 경우, 사용자가 HOE 영상표시부를 통하여 밖을 볼 때 주변에서 투입되는 빛은 모두 투과시켜 투명도를 높임으로써 매우 선명하게 밖을 볼 수 있다.According to the present invention, if the HOE image display unit is composed of a wavelength selective transparent reflector manufactured in the form of a film laminated or adhered on an aspherical lens using a hologram optical element (HOE), the HOE image display unit is a flat lens for HMD or a spectacle type monitor (GTM). ), when used by laminating or adhering to the curved lens, when the user sees the outside through the HOE image display unit, all the light input from the surroundings is transmitted through it and the transparency is increased so that the user can see the outside very clearly.
본 발명은 상기 HOE 영상표시부를 통해 선택된 파장에 대해서만 반사되는 영상이 표시되므로 주변 조명 환경에 기인하는 원치 않는 빛이 모두 HOE 영상표시부를 투과하고 반사되지 않으므로, 종래의 원치 않는 빛의 반사에 기인하는 고스트 이미지를 없앰과 동시에 주변 조명 환경과 대비하여 매우 밝고 선명한 영상을 볼 수 있다.In the present invention, since an image that is reflected only for a selected wavelength is displayed through the HOE image display unit, all unwanted light due to the ambient lighting environment passes through the HOE image display unit and is not reflected. While eliminating ghost images, you can see very bright and clear images in contrast to the surrounding lighting environment.
본 발명에 따라 상기 HOE 영상표시부를 필름형태로 제작하면 저가로 대량 복사하여 생산할 수 있고 동일한 기능을 하는 렌즈형태로 제작할 경우와 대비하여 볼 때 소형화 및 경량화할 수 있으므로, 상기 필름형태의 HOE 영상표시부를 사용하면 HMD나 안경형 모니터(GTM) 등의 근안 디스플레이를 소형화 및 경량화하여 저렴하게 제작할 수 있다.According to the present invention, if the HOE image display unit is manufactured in the form of a film, it can be produced by mass copying at a low cost, and can be miniaturized and lightened in comparison with the case of manufacturing it in the form of a lens having the same function, so the HOE image display unit in the film form By using this, near-eye displays such as HMDs and glasses-type monitors (GTMs) can be made smaller and lighter and cheaper.
본 발명에 따라 필름형태로 제작된 상기 HOE 영상표시부를 사용하여 제작한 HMD나 안경형 모니터(GTM) 등의 근안 디스플레이를 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR) 등의 스마트 환경을 제공하는 가상체험기기, 영상게임기, 가상훈련시스템 등에 사용하면 상기 HOE 영상표시부를 통해 선택된 파장에 대해서만 반사되는 영상이 표시되므로 근안 디스플레이를 착용한 사용자를 보는 다른 사람의 눈에 상기 HOE 영상표시부에 표시되는 영상이 산만하게 겹쳐져 보이는 현상을 방지할 수 있다.According to the present invention, a near-eye display such as an HMD or glasses-type monitor (GTM) manufactured by using the HOE image display unit manufactured in the form of a film according to the present invention can be used as a smart display such as virtual reality (VR), augmented reality (AR), mixed reality (MR), etc. When used in a virtual experience device, video game machine, virtual training system, etc. that provide an environment, the image reflected only for the selected wavelength is displayed through the HOE image display unit. It is possible to prevent the phenomenon that the images displayed on the screen are overlapped in a distracting manner.
본 발명에 따르면 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드의 출력 광이 집광 점감기를 경유한 후 평판 광유도 혼합기 내부의 광도파로를 따라서 통과하는 광 통과 경로가 짧아져서 광 손실을 최소화할 수 있다.According to the present invention, the output light of three laser diodes arranged to output red light, green light, and blue light, respectively, passes through the condensing attenuator and then passes along the optical waveguide inside the flat-panel optical induction mixer. light loss can be minimized.
도 1은 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기의 실시예를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 광원케이스 내부 구성을 나타낸 분해도.
도 3은 도 2에 나타낸 점광원 스캔부가 점광원을 스캔하여 획득한 광신호를HOE 영상표시부로 방출함으로써 HOE 영상표시부에 면영상이 표시되게 하는 작동을 설명하는 실시예.
도 4는 도 2에 나타낸 점광원 스캔부와 확대 렌즈부 및 HOE 영상표시부의 평면 배치구조를 나타낸 실시예.1 is a perspective view showing an embodiment of a smart glass device using a holographic optical device according to the present invention.
Figure 2 is an exploded view showing the internal configuration of the light source case shown in Figure 1;
FIG. 3 is an embodiment for explaining an operation in which the point light source scanning unit shown in FIG. 2 emits an optical signal obtained by scanning the point light source to the HOE image display unit to display a plane image on the HOE image display unit;
4 is an embodiment showing the planar arrangement structure of the point light source scanning unit, the magnifying lens unit, and the HOE image display unit shown in FIG. 2 .
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기는 하기의 실시예들에 한정되지 않고, 청구범위에서 청구하는 기술의 요지를 벗어남이 없이 해당 기술분야에 대하여 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.The smart glass device using the holographic optical element according to the present invention described below is not limited to the following embodiments, and those with ordinary knowledge in the relevant technical field without departing from the gist of the technology claimed in the claims It has the technical spirit to the extent that anyone can change it and implement it.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기(100)는 사용자의 외부 시야를 확보하면서 영상을 표시할 수 있는 투과형(See-through type)으로 제작되며, 본체 프레임(110)과 광원케이스(120), 점광원 방출부(130), 미러부(140), 점광원 스캔부(150), HOE 영상표시부(160) 및 확대 렌즈(Broad lens)부(170)를 포함하여 구성된다.1 to 4, the
상기 본체 프레임(110)은 사용자가 HOE 영상표시부(160)를 통해 외부 시야를 확보하면서 영상을 볼 수 있는 형태(예컨대, 안경 형태 혹은 고글 형태 등)로 제작된 것이다.The
참고로, 도 1에서는 코다리(bridge)(111)의 양측에 형성된 테(rim)(112)와 사용자의 귀를 이어주는 안경다리(temple)(113)를 포함하고, 상기 테(112)에 비구면 렌즈(114)가 고정된 안경 형태로 제작된 본체 프레임(110)을 예시한다.For reference, in FIG. 1 , a
상기 광원케이스(120)는 상기 본체 프레임(110) 중 사용자의 눈 부분과 귀 부분을 이어주는 양측에 배치되되, 바람직하게는 눈과 근접하도록 배치되는 것이 바람직하다.The
참고로, 도 1에서는 안경 형태로 제작된 본체 프레임(110)에 있어서 테(112)와 사용자의 귀를 이어주는 다리(113)의 연결부 근처에 눈과 근접하도록 배치되어 있는 광원케이스(120)를 예시한다.For reference, in Fig. 1, in the
상기 점광원 방출부(130)는 상기 광원케이스(120)에 수용되고, HOE 영상표시부(160)에 영상을 표시하기 위한 점영상 신호가 글라스기기 제어기(200)로부터 입력되면 해당 점영상 신호로 만든 점광원을 방출한다.The point light
참고로, 상기 글라스기기 제어기(200)는 HOE 영상표시부(160)에 영상을 표시하기 위한 점영상 신호와 상기 점영상 신호와 동기하는 수평동기신호 혹은 수직동기신호를 상기 점광원 방출부(130)로 제공하며, 도 1에서는 상기 글라스기기 제어기(200)가 연결기(gender)(210)를 통해 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기(100)와 연결된 상태를 예시한다.For reference, the
상기 점광원 방출부(130)는 레이저 다이오드 마운트(131)와 집광 점감기(132), 평판 광유도 혼합기(133) 및 집광 렌즈(134)를 포함하여 구성된다.The point light
상기 레이저 다이오드 마운트(131)는 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)를 고정한다.The
상기 레이저 다이오드 마운트(131)는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)의 발광 작동 중에 발생하는 열을 방출하는 방열 기능을 구비하는 것이 바람직하다.Preferably, the
예컨대, 상기 레이저 다이오드 마운트(131)는 발광 작동 중인 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 전달되는 열을 표면을 통해 방열할 수 있다.For example, the
상기 집광 점감기(132)는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광을 집광하기 위한 원뿔 형식 구조를 형성한다.The
상기 집광 점감기(132)는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광에 대하여 반사되는 거리를 점진적으로 줄여서 초기 입력된 광의 단면적보다 출력되는 광의 단면적이 작아지도록 하는 원뿔 형식 구조(도 1의 확대 단면도 참조)로 형성되는 것이 바람직하다.The
상기 평판 광유도 혼합기(133)는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력된 후 상기 집광 점감기(132)에 의해 집광되는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 한다.The flat
상기 평판 광유도 혼합기(133)는 광통신에 사용되는 스플리터를 역으로 배치한 구조(도 1의 확대 단면도도 참조)로 되어 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 한다.The flat-panel
상기 평판 광유도 혼합기(133)는 3개의 광 입력부 각각이 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 각각의 출력 광이 출력되는 상기 집광 점감기(132)의 3개의 광 출력부 각각과 동일한 크기로 되어 있고 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광이 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하도록 정해진 패턴의 광도파로를 따라서 끝부분에서 하나의 점 광원이 되게 한다.The flat
상기 집광 렌즈(134)는 상기 평판 광유도 혼합기(133)에 의해 합쳐진 하나의 점 광원을 펼쳐지는 각도 없이 어느 거리에서나 크기가 일정한 평행 점 광원으로 출력되게 한다.The condensing
상기 집광 렌즈(134)는 출력되는 평행 점 광원의 직경 크기를 조절 가능하도록 회전나사방식으로 설치될 수 있다.The condensing
상기 미러부(140)는 상기 광원케이스(120)에 수용되고, 상기 점광원 방출부(130)로부터 출력되는 점광원을 반사하여 점광원 스캔부(150)로 전달한다.The
상기 미러부(140)는 상기 점광원 방출부(130)로부터 출력되는 점광원을 반사하는 제1미러(141)와 상기 제1미러(141)에 의해 반사되는 점광원을 다시 반사하여 상기 점광원 스캔부(150)로 전달하는 제2미러(142)를 포함하여 구성된다.The
본 발명의 실시예에서는 제1미러(141)와 제2미러(143)를 포함하는 미러부(140)를 예시하고 있지만, 상기 미러부(140)는 상기 광원케이스(120) 내부에서 적어도 1개 이상의 미러를 배치하여 상기 점광원 방출부(130)와 상기 점광원 스캔부(150) 사이의 점광원 반사 경로를 형성할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the
상기 점광원 스캔부(150)는 상기 광원케이스(120)에 수용되고, 상기 미러부(140)를 경유하여 전달되는 점광원을 스캔하여 획득한 광신호를 HOE 영상표시부(160)로 방출함으로써 HOE 영상표시부(160)에 면영상이 표시되게 한다.The point light
상기 점광원 스캔부(150)는 중심부에 스캔거울이 위치하는 2D MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems; 미세전자기계시스템) 스캐너이며 상기 미러부(140)를 경유하여 전달되는 점광원을 상기 점영상 신호와 동기하는 수평동기신호 혹은 수직동기신호에 의하여 시간에 따라 상기 스캔거울로 단속하여 획득한 광신호를 상기 HOE 영상표시부(160)로 방출함으로써 상기 HOE 영상표시부(160)에 면영상이 표시되게 한다.The point light
상기 HOE 영상표시부(160)는 상기 본체 프레임(110)의 테(rim)(111)에 고정된 비구면 렌즈(112) 위에 적층하거나 접착하는 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체이며, 눈과 평행하게 배치된 상태에서 홀로그램 광학 소자(HOE; hologram optical element)에 미리 정의된 파장만을 눈의 중심에 맞추는 비대칭 반사를 하도록 기록하여 입사 광신호가 나타내는 영상을 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상으로 표시한다.The HOE
상기 확대 렌즈부(170)는 상기 점광원 스캔부(150)와 상기 HOE 영상표시부(160) 사이의 광신호 방출 경로 상에 배치되어 상기 점영상 스캔부(150)에서 방출되는 광신호가 상기 HOE 영상표시부(160)에 면영상으로 표시될 때 스페클(speckle)을 제거하고 상기 면영상이 상기 HOE 영상표시부(160)에 입사되는 각도를 조절한다.The magnifying
본 발명은 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 HOE 영상표시부(160)에 표시되는 면영상의 중심에 해당하는 뷰 센터(View Center)와 상기 HOE 영상표시부(160)로부터 정해진 간격으로 떨어져 배치되는 눈 박스(Eye Box)의 중심축에 해당하는 눈 축(Eye Axis)이 형성하는 사잇각을 조절하여 상기 점영상 스캔부(150)에서 방출되는 광신호가 상기 HOE 영상표시부(160)에서 면영상으로 반사되어 눈으로 수렴할 때 상기한 눈 축(Eye Axis)이 눈의 전방 시야축과 일치되게 한다. 도 4에서는 상기한 사잇각을 1도(°)로 유지하는 실시예를 나타낸다.In the present invention, as shown in FIG. 4 , a view center corresponding to the center of the plane image displayed on the HOE
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기(100)는 다음과 같이 작동한다.The
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기(100)는 사용자가 눈의 망막(Eye retina)을 통해 외부 시야를 확보하면서도 영상을 획득할 수 있는 투과형으로 제작된다.As shown in FIG. 1 , the
상기 HOE 영상표시부(160)에 영상을 표시하기 위하여, 상기 점광원 방출부(130)와 전기적으로 연결된 상기 글라스기기 제어기(200)로부터 출력된 점영상 신호가 상기 점광원 방출부(130)로 인가되면, 상기 점광원 방출부(130)는 해당 점영상 신호로 만든 점광원을 미러부(140)로 방출한다.In order to display an image on the HOE
상기 점광원 방출부(130)의 점광원 방출 작동을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The point light source emitting operation of the point light
상기 레이저 다이오드 마운트(131)에 배치된 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)가 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하면, 상기 집광 점감기(132)가 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광에 대하여 반사되는 거리를 점진적으로 줄여서 초기 입력된 광의 단면적보다 출력되는 광의 단면적이 작아지도록 하는 원뿔 형식 구조(도 1의 확대 단면도도 참조)로 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광을 집광한다.When the three laser diodes LD_RED, LD_GREEN, and LD_BLUE disposed on the
이때, 상기 레이저 다이오드 마운트(131)는 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)의 발광 작동 중에 발생하는 열을 방출한다.At this time, the
이처럼, 상기 집광 점감기(132)가 도 3의 확대 단면도에 나타낸 바와 같은 원뿔 형식 구조로 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광을 집광하면, 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광을 렌즈를 통하여 집광하는 것보다 광 손실을 적게 할 수 있다.As such, when the condensing
상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력된 후 상기 집광 점감기(132)에 의해 집광되는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광은 상기 평판 광유도 혼합기(133)로 전달되어 하나의 점 광원으로 합쳐진다.The output light from the three laser diodes (LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE), which is output from the three laser diodes (LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE) and then is condensed by the
이때, 상기 평판 광유도 혼합기(133)는 광통신에 사용되는 스플리터(Splitter)를 역으로 배치한 구조(도 3의 확대 단면도 참조)를 통해 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 한다.At this time, the flat plate
특히, 상기 평판 광유도 혼합기(133)에 있어서 도 3의 확대 단면도로 나타낸 광통신에 사용되는 스플리터를 역으로 배치한 구조는 3개의 광 입력부 각각이 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 각각의 출력 광이 출력되는 상기 집광 점감기(132)의 3개의 광 출력부 각각과 동일한 크기로 되어 있고, 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광이 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하도록 정해진 패턴의 광도파로를 따라서 끝부분에서 하나의 점 광원이 되게 한다.In particular, in the planar
상기 평판 광유도 혼합기(133)에 의해 합쳐진 하나의 점 광원은 상기 집광 렌즈(134)를 통해 펼쳐지는 각도 없이 어느 거리에서나 크기가 일정한 평행 점 광원으로 출력된다.One point light source combined by the flat light-guided
이때, 상기한 회전나사방식으로 상기 집광 렌즈(134)의 위치를 변경해 놓으면 상기 집광 렌즈(134)를 통해 출력되는 평행 점 광원은 그 직경 크기가 조절된 상태로 방출된다.At this time, if the position of the condensing
예컨대, 도 4에 예시한 바와 같이, 상기 평행 점 광원은 지름 0.7mm 정도의 하나의 점 형태로 만들어져 방출된다.For example, as illustrated in FIG. 4 , the parallel point light source is emitted in the form of a single point having a diameter of about 0.7 mm.
상기와 같이 미러부(140)로 방출된 점광원은 제1미러(141)와 제2미러(142)에 의한 반사 경로를 경유하여 상기 점광원 스캔부(150)로 전달된다.As described above, the point light source emitted to the
연이어서, 상기 점광원 스캔부(150)는 상기 미러부(140)를 경유하여 전달되는 점광원을 상기 점영상 신호와 동기하는 수평동기신호 혹은 수직동기신호에 의하여 시간에 따라 상기 스캔거울로 단속하여 획득한 광신호를 상기 HOE 영상표시부(160)로 방출함으로써 HOE 영상표시부(160)에 면영상이 표시되게 한다.Subsequently, the point light
이때, 상기 2D MEMS 스캐너의 중심부 스캔거울은 지름 0.7mm 정도의 하나의 점으로 만들어져 방출되는 상기 평행 점 광원을 스캔하기에 적합하도록 가로 0.7mm, 세로 1mm의 타원형인 것이 바람직하다.In this case, it is preferable that the central scan mirror of the 2D MEMS scanner has an elliptical shape of 0.7 mm in width and 1 mm in length so as to be suitable for scanning the emitted parallel point light source by making a single point with a diameter of about 0.7 mm.
또한, 상기 점광원 스캔부(150)는 상기 스캔거울을 이용하여 수평방향으로는 공진에 의한 작동 방법에 따라 정해진 주파수, 예컨대 풀 에이치디(Full HD)급의 영상 표시를 위한 25kHz 이상의 주파수로 상기 평행 점 광원을 스캔하고, 수직방향으로는 톱니파 또는 펄스폭 변조방식의 진폭변화를 주어 상기 평행 점 광원을 스캔하는 것이 바람직하며, 이와 같은 방식으로 한 장의 영상에 대한 스캔을 1초에 30회 이상 반복하게 되면 일반적으로 텔레비전에서 시청하는 풀 에이치디급의 영상을 상기 HOE 영상표시부(160)에 표시할 수 있다.In addition, the point light
또한, 상기 점광원 스캔부(150)의 2D MEMS 스캐너에 의해 스캔되어 상기 HOE 영상표시부(160)로 방출된 상기 광신호는 스캔거울이 움직이는 각도에 따라 반사되어 정해진 각도를 유지하게 된다.In addition, the optical signal scanned by the 2D MEMS scanner of the point light
상기와 같이 정해진 각도를 유지하는 광신호가 상기 HOE 영상표시부(160)로 입사되면, 상기 HOE 영상표시부(160)에서는 입사 광신호가 나타내는 영상을 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상으로 표시한다.When the optical signal maintaining the predetermined angle as described above is incident on the HOE
상기 HOE 영상표시부(160)에 투사되는 상기 광신호에 의해 표시되는 면영상은 미리 정의된 파장만을 눈의 중심에 맞추는 비대칭 반사를 하여 형성하고 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상이다.The plane image displayed by the optical signal projected on the HOE
실제로, 상기 HOE 영상표시부(160)에 표시되는 면영상은 상기 HOE 영상표시부(160)에서 반사되어 눈의 망막에 투영되는 영상이다.In fact, the plane image displayed on the HOE
상기와 같이 작동하는 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 점광원 방출부(130)는, 눈과 평행하게 배치되어 있는 상기 HOE 영상표시부(160)로 입사하는 광축과 45∼60도(도 4에서는 45도로 예시함)로 기울어져 있는 상태로 상기 HOE 영상표시부(160)의 위 또는 측면에 배치되는 것이 바람직하며, 특히 측면에 배치될 수 있기 때문에 안경형 모니터(GTM)에 적용 시 최소 공간을 사용하면서 후방 무게 중심형으로 설계하여 해당 안경형 모니터(GTM)의 무게를 줄여 착용자가 편리하게 장시간 사용할 수 있다.In the embodiment of the present invention that operates as described above, the point light
특히, 상기 점광원 방출부(130)가 상기 HOE 영상표시부(160)로 입사하는 광축과 50도 이상으로 기울어져 있는 상태로 안경형 모니터(GTM)에 적용 시, 상기 2D MEMS 스캐너에서 방출되는 상기 광신호가 상기 HOE 영상표시부(160)에 평행하게 입사되도록 하기 위해 상기한 상기 확대 렌즈부(170)를 사용하는 것이 바람직하다.In particular, when the point light
도 4는 도 2에 나타낸 점광원 스캔부(150)와 확대 렌즈부(170) 및 HOE 영상표시부(160)의 평면 배치구조를 나타낸 실시예이며, 상기 점광원 방출부(130)를 통해 지름 0.7mm 정도의 하나의 점으로 만들어져 방출되는 점광원을 상기 점광원 스캔부(150)가 스캔하여 획득한 광신호를 HOE 영상표시부(160)로 방출함으로써 HOE 영상표시부(160)에 면영상이 표시되게 함에 따라 상기 HOE 영상표시부(160)에서 반사된 영상이 눈의 망막에 투영되게 하는 실시예를 나타낸다.4 is an embodiment showing a planar arrangement structure of the point light
도 4에 있어서, 눈 박스(Eye Box)는 상기 HOE 영상표시부(160)에서 반사된 영상이 눈의 망막에 투영되게 하는 위치이며, 뷰 센터(View Center)는 HOE 영상표시부(160)에 표시되는 면영상의 중심이며, 눈 축(Eye Axis)은 눈 박스(Eye Box)의 중심축이다.In Figure 4, the eye box (Eye Box) is a position at which the image reflected from the HOE
도 4에서는 눈 박스(Eye Box)의 중심을 기준으로 뷰 센터(View Center)와 눈 축(Eye Axis)이 형성하는 사잇각이 1도(°)인 평면 배치구조를 예시하고 있으며, 평면 배치구조 상의 거리표시 단위는 밀리미터(mm)이다.4 exemplifies a planar layout structure in which the angle between the View Center and the Eye Axis formed by the center of the Eye Box is 1 degree (°), The unit of distance display is millimeters (mm).
본 발명의 실시예에서는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 HOE 영상표시부(160)에 표시되는 면영상의 중심에 해당하는 뷰 센터(View Center)와 HOE 영상표시부(160)로부터 정해진 간격(예컨대, 25.01mm)으로 떨어져 배치되는 눈 박스(Eye Box)의 중심축에 해당하는 눈 축(Eye Axis)이 형성하는 사잇각을 1도(°)로 유지하면 상기 점영상 스캔부(150)에서 방출되는 광신호가 상기 HOE 영상표시부(160)에서 면영상으로 반사되어 눈으로 수렴할 때 상기한 눈 축(Eye Axis)이 눈의 전방 시야축과 일치되어 사용자가 영상 이질감을 느끼지 않게 하고 입체 표현의 깊이를 현실화하여 어지럼증 및 장시간 사용에 무리가 없도록 할 수 있다. 이와 달리, 만약 상기한 사잇각이 1도(°)로 유지되지 않으면 사용자가 영상 이질감을 느끼게 되고 입체 표현의 깊이를 현실화하기가 불량하여 어지럼증을 유발할 수 있으며 이로 인해 장시간 사용에 무리가 있을 수 있다. In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4 , a view center corresponding to the center of the plane image displayed on the HOE
도 4에 나타낸 바와 같은 평면 배치구조로 구성한 안경형 모니터(GTM)에 대한 표시 영상의 밝기를 수치해석을 통하여 측정한 결과, 상기 점광원 방출부(130)의 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)에서 발현되는 최초 밝기 100%를 기준으로 대비하여 사용자가 눈의 망막을 통해 시청하게 되는 영상의 밝기가 30% 이상으로 나타남을 확인하였다.As a result of numerical analysis of the brightness of the display image of the spectacle-type monitor (GTM) configured in the planar arrangement structure as shown in FIG. 4 , the three laser diodes LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE of the point light
한편, 도 4에 나타낸 바와 같은 평면 배치구조로 안경형 모니터(GTM)를 구성하되 상기 HOE 영상표시부(160)를 기존의 프리즘 형태로 제작된 광 도파관을 사용하는 표시부로 대체한 경우에 대하여 표시 영상의 밝기를 수치해석을 통하여 측정한 결과, 상기 점광원 방출부(130)의 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)에서 발현되는 최초 밝기 100%를 기준으로 대비하여 사용자가 눈의 망막을 통해 시청하게 되는 영상의 밝기가 3% 이하로 나타남을 확인하였다.On the other hand, in the case of configuring a spectacle-type monitor (GTM) with a planar arrangement structure as shown in FIG. 4 , but replacing the HOE
상기한 바에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 상기한 HOE 영상표시부(160)를 홀로그램 광학 소자(HOE)를 이용하여 비구면 렌즈 위에 적층하거나 접착하는 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체로 구성하면 상기 HOE 영상표시부(160)를 HMD용 평면 렌즈나 안경형 모니터(GTM)용 곡면 렌즈에 적층 혹은 접착하여 사용하는 경우, 사용자가 HOE 영상표시부(160)를 통하여 밖을 볼 때 주변에서 투입되는 빛은 모두 투과시켜 투명도를 높임으로써 매우 선명하게 밖을 볼 수 있다.As can be seen from the above, according to the present invention, when the HOE
본 발명은 상기 HOE 영상표시부(160)를 통해 선택된 파장에 대해서만 반사되는 영상이 표시되므로 주변 조명 환경에 기인하는 원치 않는 빛이 모두 HOE 영상표시부(160)를 투과하고 반사되지 않으므로, 종래의 원치 않는 빛의 반사에 기인하는 고스트 이미지를 없앰과 동시에 주변 조명 환경과 대비하여 매우 밝고 선명한 영상을 볼 수 있다.In the present invention, since the image that is reflected only for the wavelength selected through the HOE
본 발명에 따라 상기 HOE 영상표시부(160)를 필름형태로 제작하면 저가로 대량 복사하여 생산할 수 있고 동일한 기능을 하는 렌즈형태로 제작할 경우와 대비하여 볼 때 소형화 및 경량화할 수 있으므로, 상기 필름형태의 HOE 영상표시부(160)를 사용하면 HMD나 안경형 모니터(GTM) 등의 근안 디스플레이를 소형화 및 경량화하여 저렴하게 제작할 수 있다.According to the present invention, if the HOE
본 발명에 따라 필름형태로 제작된 상기 HOE 영상표시부(160)를 사용하여 제작한 HMD나 안경형 모니터(GTM) 등의 근안 디스플레이를 가상현실(VR), 증강현실(AR), 혼합현실(MR) 등의 스마트 환경을 제공하는 가상체험기기, 영상게임기, 가상훈련시스템 등에 사용하면 상기 HOE 영상표시부(160)를 통해 선택된 파장에 대해서만 반사되는 영상이 표시되므로 근안 디스플레이를 착용한 사용자를 보는 다른 사람의 눈에 상기 HOE 영상표시부(160)에 표시되는 영상이 산만하게 겹쳐져 보이는 현상을 방지할 수 있다.Virtual reality (VR), augmented reality (AR), mixed reality (MR) display of near-eye displays such as HMD or glasses-type monitor (GTM) produced using the HOE
본 발명에 따르면 각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)의 출력 광이 집광 점감기(132)를 경유한 후 평판 광유도 혼합기(133) 내부의 광도파로를 따라서 통과하는 광 통과 경로가 짧아져서 광 손실을 최소화할 수 있다.According to the present invention, after the output light of three laser diodes (LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE) arranged to output red light, green light, and blue light, respectively, passes through the condensing
100: 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기
110: 본체 프레임 111: 코다리
112: 테 113: 안경다리
114: 비구면 렌즈 120: 광원케이스
130: 점광원 방출부 131: 레이저 다이오드 마운트
132: 집광 점감기 133: 평판 광유도 혼합기
134: 집광 렌즈 140: 미러부
141: 제1미러 142: 제2미러
150: 점광원 스캔부 160: HOE 영상표시부
170: 확대 렌즈부 200: 글라스기기 제어기
210: 연결기
LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE: 레이저 다이오드100: smart glass device using a holographic optical element
110: body frame 111: nose bridge
112: frame 113: temple of spectacles
114: aspherical lens 120: light source case
130: point light source emitting unit 131: laser diode mount
132: light condensing attenuator 133: flat plate light induction mixer
134: condensing lens 140: mirror unit
141: first mirror 142: second mirror
150: point light source scan unit 160: HOE image display unit
170: magnifying lens unit 200: glass device controller
210: coupler
LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE: laser diode
Claims (11)
상기 본체 프레임(110) 중 사용자의 눈 부분과 귀 부분을 이어주는 양측에 배치되는 광원케이스(120);
상기 광원케이스(120)에 수용되고, HOE 영상표시부(160)에 영상을 표시하기 위한 점영상 신호가 글라스기기 제어기(200)로부터 입력되면 해당 점영상 신호로 만든 점광원을 방출하는 점광원 방출부(130);
상기 광원케이스(120)에 수용되고, 상기 점광원 방출부(130)로부터 출력되는 점광원을 반사하여 점광원 스캔부(150)로 전달하는 미러부(140);
상기 광원케이스(120)에 수용되고, 상기 미러부(140)를 경유하여 전달되는 점광원을 스캔하여 획득한 광신호를 HOE 영상표시부(160)로 방출함으로써 HOE 영상표시부(160)에 면영상이 표시되게 하는 점광원 스캔부(150); 및
상기 본체 프레임(110)의 테(rim)(112)에 고정된 비구면 렌즈(114) 위에 적층하거나 접착하는 필름형태로 제작한 파장 선택적 투명 반사체이며, 눈과 평행하게 배치된 상태에서 홀로그램 광학 소자(HOE; hologram optical element)에 미리 정의된 파장만을 눈의 중심에 맞추는 비대칭 반사를 하도록 기록하여 입사 광신호가 나타내는 영상을 정해진 반사각 만큼의 크기로 확대하여 눈으로 시청할 수 있도록 수렴한 영상으로 표시하는 HOE 영상표시부(160);
로 구성되고,
사용자가 HOE 영상표시부(160)를 통해 외부 시야를 확보하면서 영상을 표시할 수 있는 투과형(See-through type)으로 제작된 것을 특징으로 하고,
상기 점광원 방출부(130)는
각각 적색 광, 녹색 광, 청색 광을 출력하도록 배치되는 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)를 고정하는 레이저 다이오드 마운트(131)와;
상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력되는 각각의 출력 광을 집광하기 위한 원뿔 형식 구조를 형성하는 집광 점감기(Collimation Taper)(132);
상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터 출력된 후 상기 집광 점감기(132)에 의해 집광되는 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하는 평판 광유도 혼합기(PLC; Plane Lightguide Combiner)(133); 및
상기 평판 광유도 혼합기(133)에 의해 합쳐진 하나의 점 광원을 펼쳐지는 각도 없이 어느 거리에서나 크기가 일정한 평행 점 광원으로 출력되게 하는 집광 렌즈(Collimation Lens)(134);
로 구성되고,
상기 평판 광유도 혼합기(133)는 광통신에 사용되는 스플리터(Splitter)를 역으로 배치한 구조로 되어 상기 3개의 레이저 다이오드(LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE)로부터의 출력 광을 하나의 점 광원으로 합쳐지게 하는 것을 특징으로 하고,
상기 집광 렌즈(134)는 출력되는 평행 점 광원의 직경 크기를 조절 가능하도록 회전나사방식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학 소자를 이용한 스마트 글라스 기기.a body frame 110 manufactured in such a way that a user can view an image while securing an external view through the HOE image display unit 160;
a light source case 120 disposed on both sides of the body frame 110 that connects the user's eyes and ears;
A point light source emitting unit accommodated in the light source case 120 and emitting a point light source made of the point image signal when a point image signal for displaying an image on the HOE image display unit 160 is input from the glass apparatus controller 200 (130);
a mirror unit (140) accommodated in the light source case (120), reflecting the point light source output from the point light source emitting unit (130) and transmitting it to the point light source scanning unit (150);
A plane image is displayed on the HOE image display unit 160 by emitting an optical signal obtained by scanning a point light source accommodated in the light source case 120 and transmitted via the mirror unit 140 to the HOE image display unit 160 . a point light source scanning unit 150 to be displayed; and
It is a wavelength selective transparent reflector manufactured in the form of a film laminated or adhered on the aspherical lens 114 fixed to the rim 112 of the body frame 110, and a hologram optical element ( HOE image that records only a predefined wavelength in a hologram optical element (HOE) to have asymmetrical reflection that matches the center of the eye, enlarges the image represented by the incident optical signal to a size corresponding to the specified reflection angle, and displays it as a converged image so that the eyes can see it display unit 160;
is composed of,
It is characterized in that it is manufactured as a see-through type that allows a user to display an image while securing an external view through the HOE image display unit 160,
The point light source emitting unit 130 is
a laser diode mount 131 for fixing three laser diodes LD_RED, LD_GREEN, and LD_BLUE that is arranged to output red light, green light, and blue light, respectively;
a collimation taper 132 forming a conical structure for condensing each output light output from the three laser diodes LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE;
The output light from the three laser diodes LD_RED, LD_GREEN, and LD_BLUE, which is output from the three laser diodes LD_RED, LD_GREEN, and LD_BLUE, and then is focused by the light concentrator 132 is combined into one point light source. a Plane Lightguide Combiner (PLC) 133; and
a collimation lens 134 for outputting a single point light source combined by the flat light induction mixer 133 as a parallel point light source having a constant size at any distance without an unfolding angle;
is composed of
The flat light induction mixer 133 has a structure in which a splitter used for optical communication is arranged in reverse, so that the output light from the three laser diodes (LD_RED, LD_GREEN, LD_BLUE) is combined into one point light source. characterized by,
The condensing lens 134 is a smart glass device using a holographic optical device, characterized in that it is installed in a rotating screw method so that the diameter size of the output parallel point light source can be adjusted.
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